釕氧化物鋰電池系統(tǒng)的三個階段反應(yīng)途徑綜述

　　鋰離子電池幾乎給所有的日常便攜式電子產(chǎn)品充電，包括智能手機(jī)，相機(jī)，玩具，甚至是電力車。全球的研究人員都在尋找安全，廉價，持久并且強(qiáng)大的鋰電池材料。

　　工作在不同美國能源部光源設(shè)施和劍橋及石溪大學(xué)的一組研究人員近期研究了一類鋰離子電池的電極，這比目前其它電池的容量都大很多。研究人員希望確定為什么這些材料能儲存比理論估計還要多很多的電量。

　　作者選擇氧化釕(RuO2)作為模型系統(tǒng),研究這些所謂的“轉(zhuǎn)換材料,” 命名是因?yàn)楫?dāng)和鋰離子反應(yīng)的時候會發(fā)生很大的結(jié)構(gòu)變化，可逆化形成金屬納米顆粒和鹽（這里指Ru和Li2O）。這和傳統(tǒng)的反應(yīng)非常不一樣，它允許鋰離子在晶格內(nèi)的空間中儲存電量。

　　“我們調(diào)查發(fā)現(xiàn)RuO2額外容量的來源。也因此產(chǎn)生了研究在電池電極‘鈍化層’的方案，這保護(hù)電極不會繼續(xù)在充放電過程中發(fā)生分解反應(yīng)。”Clare Grey，一個在劍橋和石溪大學(xué)的教授，這項(xiàng)研究對應(yīng)的研究人如是說。理解這些鈍化層的結(jié)構(gòu)是制造應(yīng)用于運(yùn)輸或者電網(wǎng)存儲足夠持久電池的關(guān)鍵。

　　在布魯克海文國家實(shí)驗(yàn)室的國家同步輻射光源，該小組利用X射線吸收近邊結(jié)構(gòu)（XANES）和擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)（EXAFS）研究了他們的樣品。在先進(jìn)光子源，阿貢國家實(shí)驗(yàn)室，他們用兩個額外的技術(shù)，高分辨率X射線衍射（XRD）和散射對分布函數(shù)（PDF）的分析，去獲得當(dāng)電池充放電過程中，電子與長/短范圍RuO2電極結(jié)構(gòu)變化的實(shí)時信息。用這種方法，這個團(tuán)隊(duì)展示了RuO2通過LixRuO2的形成，被還原成了Ru納米顆粒和Li2O。

　　因?yàn)檫@并不能解釋額外的電量儲存機(jī)制的來源，該小組用了另一種技術(shù)：高分辨率固態(tài)核磁共振（NMR）。此方法給樣品施加磁場比國內(nèi)測量樣品中原子核的反應(yīng)。這可以得到化學(xué)成分和局部結(jié)構(gòu)的特殊信息，并且對于研究只包含“輕”元素的研究中非常有用，這些元素例如氫，鋰和氧是很難在XRD中檢測出來的。NMR數(shù)據(jù)顯示主要對容量產(chǎn)生作用的是LiOH的形成，這可逆變成Li2O和LiH。小部分作用來自在Ru納米顆粒表面Li的儲存，形成LixRu合金以及電解質(zhì)的分解。然而后者，最終導(dǎo)致電容量的減少并且會導(dǎo)致多次充電循環(huán)后電池失效。